DE19653989A1 - Reaktorkopf für einen monolithischen Gleich- oder Genstromreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkopf für einen monolithischen Gleich- oder Gegenstromreaktor.

Gleich- oder Gegenstromreaktoren werden in der nicht vorveröffentlichten europaischen Patentanmeldung EP 96108385.4 sowie in der deutschen Parallelanmeldung . . . beschrieben.

Ein Gleich- oder Gegenstromreaktor hat die Form eines Zylinders von beliebiger Querschnittsfläche und wird von parallelen Strömungskanälen durchzogen, die die beiden Stirnflächen des Reaktors miteinander verbinden. Eine solche Vorrichtung wird gewöhnlich als Wabenkörper bezeichnet. Sie kann aus Metall oder Keramik gefertigt sein. Die Strömungskanäle können dreieckige, quadratische, rechteckige, sechseckige oder andere Querschnittsformen aufweisen. Die Anzahl der Strömungskanäle, bezogen auf die Querschnittsfläche, wird als Zelldichte bezeichnet.

In der EP 96108385.4 wird ein solcher Wabenkörper für die Herstellung von Blausäure durch Umsetzung von Methan und Ammoniak in Gegenwart eines geeigneten Katalysators beschrieben. Die Umsetzung von Methan und Ammoniak ist eine endotherme Reaktion und wird bei Temperaturen von 1000 bis 1350°C durchgeführt.

Gemäß der EP 96108385.4 werden die Strömungskanäle des Wabenkörpers in Heiz- und Reaktionskanäle unterteilt. Heiz- und Reaktionskanäle sind in einem komplementären Muster über den Querschnitt des Wabenkörpers verteilt. Das Verteilungsmuster der Kanäle kann im Prinzip beliebig gewählt werden. Bewährt hat sich jedoch eine abwechselnd lagen- oder reihenweise Anordnung von Heiz- und Reaktionskanälen.

Das Reaktionsgemisch aus Methan und Ammoniak wird durch die Reaktionskanäle geleitet. Im Gleich- oder Gegenstrom dazu wird ein Brenngas/Luft-Gemisch durch die Heizkanäle geführt und in den Kanälen zur Verbrennung gebracht. Durch die direkte Nachbarschaft von Heiz- und Reaktionskanälen wird die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme mit hohem Wirkungsgrad auf die Reaktanden übertragen. Zur Durchführung der katalytischen Umsetzung sind die Innen­ wände der Reaktionskanäle mit einem Katalysator für die katalytische Umsetzung beschichtet.

Die Verbrennung in den Heizkanälen wird durch in die Kanäle eingeführte Heizdrähte gezündet. Wie in der parallelen Patentanmeldung. . . offenbart wird, kann die Verbrennung in den Heizkanälen jedoch auch katalytisch vorgenommen werden. Hierzu werden die Innenwandflächen der Heizkanäle mit einem Katalysator für die katalytische Verbrennung beschichtet.

Ein wesentliches Problem des vorgestellten Reaktorkonzeptes stellt die Einspeisung der Reaktionsgase als auch der Verbrennungsgase in die jeweils zugeordneten Kanäle dar. In der parallelen Patentanmeldung wird dieses Problem in Analogie zu dem in der US-Patentschrift 4,271,110 offenbarten indirekten Wärmetauscher gelöst. Unter der Voraussetzung, daß Heiz- und Reaktionskanäle abwechselnd in Lagen beziehungsweise Reihen angeordnet sind kann die Zu- und Abfuhr der Gase gemäß der US-Patentschrift wie folgt vorgenommen werden:

Das Brenngas/Luft-Gemisch wird einer Stirnfläche des Reaktors mit Hilfe eines auf die Stirnfläche aufgesetzten kegelförmigen Stutzens zugeführt. Das Reaktionsgemisch wird in entsprechender Weise der zweiten Stirnfläche zugeführt. Die Strömungskanäle sind auf der der jeweiligen Einspeisungs-Stirnfläche gegenüberliegenden Stirnfläche in axialer Richtung verschlossen, um eine Vermischung der beiden Gasströmungen zu verhindern. Die Ausspeisung der Gas­ ströme wird über die Seitenflächen des Reaktors vorgenommen. Hierzu sind ausgehend von einer Seitenfläche Öffnungen in den Reaktor eingearbeitet, die alle Kanäle einer Lage miteinander verbinden. Durch Aufsetzen eines Gasstutzens auf die Seitenfläche des Reaktors können die aus den einzelnen Lagen austretenden Gasströme zusammengefaßt werden.

Diese Lösung des Gaszuführungsproblems ist wegen ihrer geringen Flexibilität unbefriedigend, da sie nur auf Reaktoren mit lagenweise angeordneten Heiz- und Reaktionskanälen angewendet werden kann. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Verbrennung in den Kanälen eine unbefriedigende Stabilität aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, mit der Heiz- und Reaktionsgase in die entsprechenden Kanäle von Gleich- oder Gegenstrom­ reaktoren eingeführt werden können, auch wenn Heiz- und Reaktionskanäle in einem beliebigen Muster über den Querschnitt des Reaktors angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktorkopf für einen monolithischen Gleich- oder Gegenstromreaktor zur Ein- und Ausspeisung zweier durch die parallelen Strömungskanäle des Reaktors strömender fluider Medien I und II, wobei der Reaktor die Form eines Zylinders der Länge L hat und die parallelen Strömungskanäle die beiden Stirnflächen des Reaktors miteinander verbinden und Medium I durch einen ersten Satz I der Strömungskanäle und Medium II durch einen zweiten Satz II der Strömungskanäle strömt. Der Reaktorkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß er zwei hintereinander­ liegende Kammern I und II mit einer gemeinsamen Trennwand aufweist und daß Kammer I mit einer der gemeinsamen Trennwand gegenüberliegenden Außenwand auf einer Stirnfläche des Reaktors gasdicht aufliegt und Führungsrohre vorgesehen sind, die in die Strömungskanäle des Reaktors bis maximal zur Hälfte der Länge L des Reaktors eingeführt sind, wobei die Führungsrohre von Satz I der Strömungskanäle in Kammer I enden und die Führungsrohre von Satz II der Strömungskanäle durch Kammer I und die gemeinsame Trennwand hindurchgeführt sind und in Kammer II enden und daß Kammer I eine Zu- beziehungsweise Ableitung für Medium I und Kammer II eine Zu­ beziehungsweise Ableitung für Medium II aufweist.

Der erfindungsgemäße Reaktorkopf kann allgemein für die Einspeisung zweier fluider Medien in ihnen zugeordnete Strömungskanäle eines monolithischen Wabenkörpers verwendet werden. Den beiden Fluiden Medien sind im Wabenkörper zwei Sätze von Strömungskanälen zugeordnet, die in einem beliebigen Muster über den Querschnitt des Wabenkörpers angeordnet sein können. Eine Beschränkung auf eine lagenweise Anordnung der Kanäle entfällt. Für die Einspeisung beider Medien werden zwei Reaktorköpfe benötigt, die auf die gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktors dicht aufgesetzt werden.

Die Führungsrohre dienen der sicheren Einspeisung der fluiden Medien in die jeweiligen Kanäle. Ihre Eintauchlänge in die Kanäle kann je nach Erfordernis in weiten Grenzen frei gewählt werden. Bei Verwendung des Wabenkörpers als Gegenstromreaktor für endotherme katalytische Reaktionen kann durch geeignete Wahl der Eintauchlänge gewährleistet werden, daß kritische Prozesse erst tief im Innern des Reaktors ablaufen und somit eventuelle Dichtungen zwischen Reaktorkopf und Wabenkörper nicht zerstört werden. Als weitere Schutzmaßnahme kann der Reaktorkopf durch einen ihn umgebenden Doppelmantel geschützt werden, durch den eine Kühlflüssigkeit gepumpt wird.

Die Eintauchlänge der Führungsrohre für die Reaktionsgase wird bevorzugt in den Grenzen zwischen 0 bis 10% der Länge des Reaktors gewählt. Die Führungsrohre für das Brenngas/Luft-Gemisch übernehmen zusätzlich die Funktion von Flammhalterrohren und gewährleisten somit eine stabile Verbrennung. Außerdem kann durch die Eintauchlänge der Ort, an dem die Verbrennung beginnt, vorbestimmt werden. Der bevorzugte Variationsbereich für die Eintauchlänge liegt in diesem Fall zwischen 0 und 50% der Länge L des Reaktors.

Der erfindungsgemäße Reaktorkopf ermöglicht es auch, Meßsonden in einzelne Kanäle des Reaktors einzuführen. Hierzu muß nur das entsprechende Führungsrohr durch beide Kammern hindurch nach außen geführt werden. Ein besonderer Vorteil des Reaktorkopfes ist die Tatsache, daß er die Einkopplung der beiden fluiden Medien in beliebig über den Reaktorquerschnitt verteilte Kanäle möglich macht.

Der Reaktorkopf kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden. Die tatsächlich Materialauswahl hängt von der geplanten Anwendung ab. Für die Auswahl bestimmend sind die zu handhabenden Medien und die während des Betriebs auftretenden Temperaturen und Drücke. Für die Synthese von Blausäure haben sich Reaktorköpfe aus rostfreiem Edelstahl bewährt. Die Führungsrohre, insbesondere die Flammhalter­ rohre, sind besonders starken thermischen Belastungen ausgesetzt. Neben Flammhalterrohren aus rostfreiem Edel­ stahl werden daher bevorzugt auch Flammhalterrohre aus keramischen Materialien verwendet. Zur schnellen und einfachen Auswechslung thermisch geschädigter Flammhalter­ rohre ist es zweckmäßig, die Rohre zweigeteilt mit einer Steckverbindung auszubilden. Die in den Reaktor eintauchenden Endstücke der Flammhalterrohre können dann erforderlichenfalls leicht ausgetauscht werden.

Die Erfindung wird an Hand der beiden Figuren weiter verdeutlicht. Es zeigen

Fig. 1 Zeichnung eines erfindungsgemäßen Reaktorkopfes,

Fig. 2 Anordnung der Heiz- und Reaktionskanäle eines Gegenstromreaktors.

Fig. 1 zeigt einen monolithischen Gegenstromreaktor 4 mit an den Stirnflächen aufgesetzten Reaktorköpfen RK und RK'.

Das Brenngas/Luft-Gemisch wird der Kammer 2 des Reaktor­ kopfes RK über den Stutzen 10 zugeführt. Aus der Kammer 2 gelangt das Brenngas/Luft-Gemisch über die Flammhalterrohre 8 in die Heizkanäle 9 des monolithischen Reaktors. Dort wird das Gemisch durch einen Verbrennungskatalysator, der sich als Beschichtung auf den Innenwänden der Heizkanäle befindet, katalytisch verbrannt. Die Abgase gelangen über die Führungsrohre 8' in die Kammer 2' des zweiten Reaktor­ kopfes RK' und werden über Stutzen 10' nach außen abgeführt.

Der Eduktstrom wird im Gegenstrom zum Brenngas/Luft-Gemisch durch den Reaktor geleitet. Hierzu wird der Eduktstrom über Stutzen 11' in die Kammer 1' eingeführt und mittels der Führungsrohre 6' in die Reaktionskanäle 7 des Reaktors eingespeist. Die Reaktionskanäle sind auf ihren Innenwänden mit einem Katalysator für die gewünschte katalytische Reaktion beschichtet. Der Katalysator bewirkt die Umsetzung des Eduktstromes in den Produktstrom, der über die Führungsrohre 6, Kammer 1 und Stutzen 11 ausgeschleust wird.

Beide Reaktorköpfe sind mit einem Kühlmantel 12 beziehungsweise 12' versehen. Das Kühlwasser wird über die Stutzen 14, 14' dem Kühlmantel 12, 12' zugeführt und über die Stutzen 13, 13' abgeführt. Die Reaktorköpfe sind mit den Außenwänden 3 beziehungsweise 3' der Kammern 1 beziehungsweise 1' gasdicht auf die Stirnfläche des Reaktors 4 aufgesetzt. 5 beziehungsweise 5' bezeichnen eine Dichtmasse. Hierbei kann es sich um einen Silikonkleber handeln, der gegenüber den an den Stirnflächen herrschenden Temperaturen von maximal 200°C beständig ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den monolithischen Gegenstromreaktor 4 mit den lagenweise angeordneten Heizgaskanälen 9 und Reaktionsgaskanälen 7. Der Reaktor ist aus einer gasdichten Aluminiumoxid-Keramik gefertigt.

Claims (2)

1. Reaktorkopf für einen monolithischen Gleich- oder Gegenstromreaktor zur Ein- und Ausspeisung zweier durch die parallelen Strömungskanäle des Reaktors strömender fluider Medien I und II, wobei der Reaktor die Form eines Zylinders der Länge L hat und die parallelen Strömungskanäle die beiden Stirnflächen des Reaktors miteinander verbinden und Medium I durch einen ersten Satz I der Strömungskanäle und Medium II durch einen zweiten Satz II der Strömungskanäle strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkopf zwei hintereinanderliegende Kammern I und II mit einer gemeinsamen Trennwand aufweist und daß Kammer I mit einer der gemeinsamen Trennwand gegenüberliegenden Außenwand auf einer Stirnfläche des Reaktors gasdicht aufliegt und Führungsrohre vorgesehen sind, die in die Strömungskanäle des Reaktors bis maximal zur Hälfte der Länge L des Reaktors eingeführt sind, wobei die Führungsrohre von Satz I der Strömungs­ kanäle in Kammer I enden und die Führungsrohre von Satz II der Strömungskanäle durch Kammer I und die gemeinsame Trennwand hindurchgeführt sind und in Kammer II enden und daß Kammer I eine Zu- beziehungsweise Ableitung für Medium I und Kammer II eine Zu­ beziehungsweise Ableitung für Medium II aufweist.

2. Reaktorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Reaktorkopfes als Doppelmantel ausgebildet ist, der eine Zu- und eine Ableitung für ein Kühlmedium aufweist.